Giao diện vô tuyến của hệ thống CDMA

Trong x• hội thông tin ngày nay,mạng viễn thông có nhiệm vụ biến đổi và truyền đưa tin tức có một vai trò hết sức quan trọng. Có thể nói,mạng viến thông đ• làm thay đổi nhiều mặt của đời sống x• hội,thay đổi cách ta làm việc, học tập, vui chơi buôn bán...Vì thế, rất nhiều quốc gia trên thế giới đ• coi viễn thông là một trong các ưu tiên hàng đầu, đặt kế hoạch cho sự phát triển cở sở hạ tầng mạng viễn thông. Mạng viễn thông có hai hình thức truyền tin chính là hữu tuyến (có dây) và vô tuyến(không dây). Trong những thập niên gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ vi điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu cả hai hình thức truyền thông hữu tuyến cũng như vô tuyến đ• có những bước tiến kỳ diệu. Một trong những thành tựu của hệ thống viễn thông vô tuyến là hệ thống thông tin di động tổ ong một ứng dụng có nhu cầu lớn nhất và đạt được sự phát triển mạnh nhất trong những năm gần đây. Trong tương lai không xa,các hệ thống di động tổ ong kỹ thuật số sẽ trở thành phương thức thông tin vạn năng.

lời nói đầu Trong xã hội thông tin ngày nay,mạng viễn thông có nhiệm vụ biến đổi và truyền đa tin tức có một vai trò hết sức quan trọng. Có thể nói,mạng viến thông đã làm thay đổi nhiều mặt của đời sống xã hội,thay đổi cách ta làm việc, học tập, vui chơi buôn bán .Vì thế, rất nhiều quốc gia trên thế giới đã coi viễn thông là một trong các u tiên hàng đầu, đặt kế hoạch cho sự phát triển cở sở hạ tầng mạng viễn thông. Mạng viễn thông có hai hình thức truyền tin chính là hữu tuyến (có dây) và vô tuyến(không dây). Trong những thập niên gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ vi điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu cả hai hình thức truyền thông hữu tuyến cũng nh vô tuyến đã có những bớc tiến kỳ diệu. Một trong những thành tựu của hệ thống viễn thông vô tuyến là hệ thống thông tin di động tổ ong một ứng dụng có nhu cầu lớn nhất và đạt đợc sự phát triển mạnh nhất trong những năm gần đây. Trong tơng lai không xa,các hệ thống di động tổ ong kỹ thuật số sẽ trở thành phơng thức thông tin vạn năng. Điện thoại di động đợc đa ra đầu tiên ở hoa kỳ vào năm 1946,nhng mãi đến những năm 80, hệ thống thông tin di động mới thực sự phát triển nhanh chóng với sự ra đời của hàng loạt tiêu chuẩn tổ ong thế hệ thứ nhất nh: NMT của Bắc âu, AMPS của Hoa kỳ, TACS của Anh Đầu năm 90 đánh dấu sự phát triển của hệ thống tổ ong thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số TDMA gồm GSM (Châu âu), IS- 95 ( hoa kỳ) , JCD ( nhật bản), cũng nh sử dụng kỹ thuật CDMA là IS 95 ( hoa kỳ). Đến cuối thể kỷ 20 này những tiêu chuẩn đầu tiên của hệ thống di động tổ ong thế hệ thứ 3 sử dụng công nghệ TDMA cải tiến và CDMA băng rộng đang đợc ngiên cứu và dần đa vào ứng dụng trên thị trờng. 1 Qua bớc đầu ngiên cứu và chuẩn hoá hệ thống tổ ong thế hệ thứ 3 thì có thể thấy rằng, công nghệ CDMA sẽ trở thành 1 công nghệ chủ đạo. Vì vậy việc nghiên cứu, tìm hiểu và tiếp cận các vấn đề có tính lý thuyết và thực tế của công nghệ CDMA là rất cần thiết. Nội dung của bản đồ án này bao gồm các phần sau: ChơngI : Tổng quan về hệ thống thông tin di động. Chơng này trình bày các đặc trng cơ bản của hệ thống tổ ong cũng nh lịch sử phát triển qua 3 thế hệ. Chơng II : Lý thuyết trải phổ và công nghệ CDMA. Chơng này trình bày các khái niệm cơ bản về nguyên lý trải phổ, chuỗi giả tạp âm PN sử dụng cho trải phổ cũng nh các hệ thống trải phổ cơ bản. Sau đó sẽ trình bày về ứng dụng ký thuật trải phổ trong hệ thống thông tin đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA. ChơngIII: Giao diện vô tuyến của hệ thống CDMA. Chơng này trình bày về các kênh trong hệ thống CDMA, nguyên lý tạo khung ,các quá trrình xử lý ( điều biến) tín hiệu của các kênh đờng đi và đ- ờng về trong hệ thống. Chơng IV : Các vấn đề cơ bản của hệ thống di động CDMA. Chơng này trình bày 1 số vấn đề cơ bản của một hệ thống CDMA thực tế Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của thầy Trần Chung Dũng ,đã giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án. Do thời gian có hạn, bản đồ án này không tránh khỏi những những thiếu xót. Kính mong đợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo để bản đồ án này đợc hàon thiện hơn. 2 mục lục Ch ơng I: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1.Cơ sở của hệ thống thông tin vô tuyến .5 2.Hệ thống thông tin di động tổ ong 6 2.1. Các đặc trng cơ bản .6 -Ô ( vùng phủ sóng) .6 -Mô hìn hệ thống .8 -Nguyên lý hoạt động 10 -Phơng pháp đa thâm nhập 11 -Đờng truyền vô tuyến 13 2.2. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong 15 Ch ơng II: Lý thuyết trải phổ và công nghệ CDMA 1.Tổng quan về nguyên lý trải phổ .21 2.Chuỗi giả tạp âm PN 24 2.1.Các chỉ tiêu giả ngẫu nhiên .24 2.2. Dãy ghi dịch 24 3.Các hệ thống trải phổ 27 3.1.Hệ thống DS/SS 28 3.2.Hệ thống FH/SS .29 4.Kết hợp kỹ thuật trải phổ với công nghệ CDMA 31 4.1. Các chuỗi mã trực giao 31 4.2.Đa thâm nhập trải phổ SSMA 32 4.3.So sánh kỹ thuật CDMA với FDMA và TDMA 33 Ch ơng III Các kênh vô tuyến của hệ thống CDMA 1.Kênh vật lý 38 2.Kênh logic và nguyên lý tạo khung .38 2.1. Kênh CDMA hớng về (Hớng lên) 41 -Kênh thâm nhập (access chanel ) .41 -Kênh lu lợng về ( revert traffic chanel ) .43 3 2.2.Kênh CDMA hớng đi ( hớng xuống) .44 -Kênh hoa tiêu (pilot chanel) 44 -Kênh đồng bộ(synchronous) 45 -Kênh nhắn tin (page chanel) 47 -Kênh lu lợng đi (forward traffic chanel) .48 3.Xử lý kênh lôgic trớc truyền dẫn .50 3.1.Các phần tử cần thiết cho tiến trình xử lý kênh logic .52 -Bộ mã hoá vòng xoắn . 52 - -Bộ mã lặp 55 -Bộ gép xen .55 -Trải phổ trực giao sử dụng hàm Walsh 55 -Bộ tạo mã dài .57 -Trải phổ chuỗi trực tiếp .59 -Trộn dữ liệu (scrambling) .60 -Điều chế QPSK và OQPSK .60 3.2. Các thông số điều chế cho từng kênh 65 -Kênh hớng về .65 -Kênh hớng đi .72 Ch ơng IV Các vấn đề cơ bản của hệ thống di động CDMA 1. Máy thu RaKe .80 2. Chuyển giao 82 2.1. Khái niệm chung về chuyển giao 82 2.2. Các thủ tục chuyển giao mềm ở hệ thống CDMA IS 95 .84 3. Điều kiện công suất .93 3.1. Hiệu ứng gần xa 93 3.2. Các phơng pháp điều khiển công suất .94 3.3. Thực hiện điều khiển công suất ở hệ thống IS-95 .97 Kết luận chung .100 Phụ lục .102 4 Chơng I Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1.Cơ sở hệ thống thông tin vô tuyến: Một hệ thống thông tin vô tuyến kết nối các khách hàng tới các trung tâm dịch vụ thông tin qua 1 kênh truyền vô tuyến.Một hệ thống truyền thông vô tuyến điển hình sẽ sử dụng các máy vô tuyến di động hay cố định truyền thông qua không gian với các tháp anten vô tuyến đặt cố định (gọi là các trạm gốc BS)và đến lợt nó, BS sẽ đợc liên kết với một trung tâm chuyển mạch nhằm chuyển tiếp cuộc gọi. Ngời ta chia hệ thống thông tin vô tuyến thành 4 loại chính theo phạm vi sử dụng của chúng : hệ thống thông tin di động tổ ong(cellular),hệ thông thoại văn phòng(WOTS),hệ thống thoại vô tuyến kéo dài (cordless),hệ thống truyền thông cá nhân PCS. Các hệ thống thông tin tổ ong cung cấp vùng phủ sóng trong 1 khu vực rộng, chẳnghạn 1 thành phố, 1 đất nớc Nhờ việc đặt rất nhiều tháp anten. Đây là một hệ thống có quy mô lớn nhất nhiều ngời sử dụng nhất. Các hệ thống thoại vô tuyến văn phòng WOTS đợc xem nh hệ thống tổ ong thu nhỏ, điển hình sử dụng 5ữ20 trạm gốc để có vùng phủ sóng trong một diện tích nhỏ nh khuông viên cuả một trờng đại học, hay một khu bệnh viện. Một số hệ thống thoại vô tuyến văn phòng điển hình là: DECT và IS 94. Các hệ thống thoại kéo dài cho phép một máy cầm tay (handset) truyền thông với một trạm gốc đơn lẻ đặt trong nhà. Máy cầm tay của hệ thống này phát tại mức công suất rất thấp và sử dụng băng tần vô tuyến không đợc cấp phép. Vùng phủ sóng của hệ thống kéo dài điển hình là CT- 2 của Anh, Tele- go, PACS của Mỹ. Hệ thống ( hay dịch vụ ) truyền thông cá nhân PCS đợc xem nh là sự kết hợp của hệ thống tổ ong, thoại cơ quan và kéo dài, với các dịch vụ thông tin tiên tiến. Đây là mạng vô tuyến mới cung cấp các dịch vụ viễn thông ở Bắc mỹ cho các khách hàng, sử dụng băng tần vô tuyến tại 1,9GHz 5 Việc truyền thông qua không gian đợc xem nh là sử dụng tài nguyên thiên nhiên (tần số vô tuyến ), và do đó phải đợc kiểm soát.Uỷ ban thông tin liên bang FCC của hoa kỳ kiểm soát việc sử dụng phổ tần ở nớc này, trong khi ở Canada việc kiểm soát phổ tần do bộ viễn thông DOC. ở các nớc khác việc kiểm soát sử dụng phổ tần thờng do các cơ quan của chính phủ đảm nhiệm. Phổ tần số có thể đợc chia thành băng cấp phép và băng không cấp phép. Băng tần cấp phép sẽ yêu cầu ngời dùng hay các nhà cung cấp phải đăng ký thì mới có quyền sử dụng. Ngợc lại, băng tần không cấp phép sẽ cho ngời dùng hay nhà cung cấp dịch vụ sử dụng nó mà không phải xin phép. 1.2. Hệ thống thông tin di động tổ ong(cellular): 1.2.1. Khái niệm và các đặc trng cơ bản: Khái niệm tổ ong cellular đợc ngiệp đoàn Bell đa ra vào năm 1947,và hệ thống thoại tổ ong. Khái niệm tổ ong cellular đợc nghệp đoàn Bell đa ra vào năm 1947, và hệ thống thoại tổ ong tự động đầu tiên trên thế giới bắt hoạt động ở Nhật vào năm 1979. Một hệ thống tổ ong sẽ sử dụng rất nhiều vùng phủ sóng nhỏ, còn đợc gọi là ô(cell).Ô chính là đơn vị nhỏ nhất của mạng. Trên sơ đồ địa lý quy hoạch mạng, ô có dạng một hình lục giác. Trong một ô có một trạm anten để liên lạc bằng kênh vô tuyến với tất cả các máy di động có trong ô. Dạng ô đợc minh hoạ nh sau. a. b. c. d. Hình 1.1 Mô hình ô 6 Trong hình vẽ trên, hình a, biểu thị vùng phủ sóng của một anten vô h- ớng phát đẳng hớng. Đờng biên ứng với quỹ tích của các vị trí có cùng cự ly đến anten mà tại các điểm đó cờng độ tín hiệu suy giảm đến giá trị yêu cầu tối thiểu của máy thu ( độ nhạy máy thu). Hình 1.b biểu diễn tình huống hai anten vô hớng giống nhau đợc thiết lập ở các khoảng cách thích hợp. Khi đó, hai vùng phủ sóng (hai vòng tròn) sẽ giao nhau, dây cung chung của vùng giao nhau là quỹ tích của các vị trí mà cờng độ tín hiệu của hai anten bằng nhau. Hình 1.c biểu thị tình huống vùng phủ sóng của 1 anten vô h ớng có tất cả các đờng biên giao nhau với vùng phủ sóng của 6 anten đặt cách đều xung quanh 6 dây cung tạo thành hình lục giác đều,biểu thị vùng phủ sóng của một ô. Khi máy di động MS di chuyển ra ngoài vùng đó, nó phải thực hiện chuyển giao để tiếp tục truyền thông với trạm vô tuyến của một ô khác liền kề mà hiện tại nó đang ở trong vùng phủ sóng. Hình lục giác trở thành kí hiệu ô trên bản đồ quy hoạch mạch di động. Hai đặc điểm nổi bật của mô hình tổ ong là sử dụng lại tần số và diện tích mỗi ô tơng đối nhỏ. Trong dải tần sử dụng cho hệ thống tổ ong, ngời ta chia nhỏ các nhóm kênh tần số vô tuyến. Mỗi ô sẽ sử dụng một nhóm kênh tần số vô tuyến. Do can nhiễu các ô kề cận nhau phải sử dụng các nhóm kênh tần số khác nhau. Tuy vậy để nâng cao hiệu suất sử dụng băng tần, các ô có thể sử dụng chung tần số nếu cự ly giữa chúng đủ lớn, can nhiễu do dùng chung tần số là không đáng kể. Đặc điểm quan trọng của việc sử dụng lại tần số là can nhiễu giữa các ô dùng chung tần số sẽ phụ thuộc vào tỉ số D/R(D: cự ly giữa các ô có cùng tần số ,R: Bàn kính ô). Trong thực tế do sự tăng trởng không ngừng tại một ô nào đó dẫn đến chất lợng phục vụ giảm sút qúa mức ngời ta phải thực hiện việc chia tách các ô này thành các ô nhỏ hơn. Với chúng ngời ta dùng công suất phát nhỏ hơn và mẫu sử dụng lại tần số đợc sử dụng ở tỉ lệ xích nhỏ hơn. Ngoài hai đặc điểm nổi bật nói trên ,hệ thống thông tin di động tổ ong còn có một số các đặc trng quan trọng khác 7 Song công tần số Để đảm bảo phát và thu đồng thời mà không ảnh hởng lẫn nhau, trạm gốc sẽ phát đi trên một nhóm kênh tần vô tuyến, gọi là kênh hớng đi (hay kênh xuống), và thu trên một nhóm kênh tần số khác gọi là kênh hớng về (hay kênh hớng lên). Các kênh tần số đi và về ổ mỗi ô sẽ đợc tách biệt với nhau bởi một khảng tần số nào đó. Mô hình hệ thống Hình vẽ sau sẽ giới thiệu mô hình hệ thống thông tin di động tổ ong. Hình vẽ 1.2- Mô hình hệ thống di động tổ ong AUC: trung tâm nhận thực. SS: Hệ thống chuyển mạch 8 PSTN các mạng khác SS BSS BSC BTS MS MS OSS AUC HLR MSC EIRVLR Đường thoại Đường báo hiệu HLR: Bộ ghi dịch định vị thờng trú VLR : Bộ ghi định vị tạm trú BSS: Phân hệ trạm gốc EIR: thanh ghi nhận dạng thiết bị. BSC: Đài điều khiển trạm gốc BTs : Đài thu vô tuyến MS: Máy di động OSS: Trạm điều hành và bảodỡng MSC: trung tâm chuyển mạch(còn gọi là tổng đài di động). Trong mỗi phân hệ trạm gốcBSS,Một bộ điều khiển trạm gốc BSC sẽ điều khiển một nhóm các BTS về các chức năng nh chuyển giao,điều khiển công suất. Trong mỗi mỗi một phân hệ chuyển mạch S, một trung tâm chuyển mạch còn gọi là tổng đài mạng di động MSC, phục vụ nhiều BSC, hình thành cấp quản lý lãnh thổ gọi là vùng phục vụ MSC, gồm nhiều vùng định vị. Hình vẽ 1.3 dới đây sẽ nêu 1 ví dụ phân cấp cấu trúc địa lý của một mạng tổ ong. Hình vẽ 1.3 Ví dụ về phân cấp cấu trúc địa lý của mạng di động tổ ong GSM Do đặc tính di dộng của MS, mạng phải theo dõi liên tục MS để xác định rằng MS hiện đang ở ô nào. Việc phân cấp cấu trúc địa lý có thêm vùng định vị sẽ có u điểm là giữ cho số lợng bản tin thông báo tìm gọi không quá lớn, đồng thời số lợng thông báo cập nhật vị trí của MS cũng không quá lớn. Bởi vì, khi MS di chuyển từ ô này sang ô khác cùng một vùng định vị thì nó 9 Vùng phục vụ GSM Vùng phục vụ PLMN Vùng phục vụ MSC Vùng định vị và tìm gọi Ô(cell) Chỉ có 1 BTS sẽ không phải thông báo gì cho mạng chỉ khi MS chuyển sang 1 vùng định vị khác thì mới phải thông báo cho mạng về vùng định vị này. Yêu cầu quản lý nhiều mặt đối với MS của mạng di động tổ ong dẫn đến các cơ sở dữ liệu lu trữ phải lớn. Bộ đăng ký định vị thờng trú HLR chứa thông tin về thuê bao nh các dịch vụ mà thuê bao lựa chọn, các tham số nhận thực vị trí hiện thời của MS đợc cập nhật qua bộ đăng ký định vị tạm trú VLR cũng đợc chuyển đến HLR. Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các tham số nhận thực và các khoá mật mã. Khi MS di động vào một vùng phục vụ mới, thì VLR sẽ yêu cầu HLR cung cấp các số liệu về vị trí khách mới này,đồng thời VLR cũng thông báo cho HLR biết MS đang ở MSC nào. VLR phải có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập cuộc gọi theo yêu cầu ngời dùng. Một MSC đặc biệt gọi là MSC cổng GMSC, sẽ có chức năng kết nối giữa mạng di động và các mạng khác. Máy di động MS gồm hai phần: modul nhận dạng thuê bao SIM, và thiết bị thu báo hiệu ME. Trong phân hệ chuyển mạch SS còn có thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR, chứa số liệu phần cứng của thiết bị.EIR đợc nối với MSC có thể kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị. Cơ chế hoạt động Trong mạng cố định, thiết bị đầu cuối nối với mạng. Do đó, tổng đài mạng cố định có thể liên tục giám sát đợc trạng thái nhấc đặt của tổ hợp máy điện thoại, để phát hiện cuộc gọi đến từ thuê bao. Đồng thời thiết bị đầu cuối luông sẵn sàng tiếp nhận chuông khi có cuộc gọi đến. Nhng trong mạng di động, vì số kênh vô tuyến quá ít so với số thuê bao MS nên kênh vô tuyến phải đợc cấp phát theo kiểu động. Việc gọi đợc và thiết lập cuộc gọi đến MS cũng khăn hơn trong mạng cố định. Khi cha có cuộc gọi, MS phải lắng nghe thông báo tìm gọi nó nhờ một kênh đặc biệt gọi là kênh quảng bá hay kênh nhắn tin. Một cuộc gọi đến MS, 10